混合动力汽车模块化动力系统及其功率流控制方法

本发明提供一种混合动力汽车模块化动力系统及其功率流控制方法，属于车载混合动力系统。

背景技术：

1、目前车载混合动力系统的结构形式主要分为串联式混合动力系统、并联式混合动力系统以及混联式混合动力系统。其中并联式结构中发动机与发电机两大动力总成连接较复杂，且发动机的输出功率较小；而混联式结构虽具有结构紧凑、传递效率高等优点，但也存在着整体结构复杂，工程化要求高以及能量管理逻辑复杂等特点。而串联式混合动力系统作为一种构型较为简单的动力系统，其发动机-发电机组部分与驱动轴通过电连接替代机械连接，经实验表明驱动效果与另外两种动力系统无较大差异，但其各核心部件的布置更加灵活，更加贴合及顺应当前汽车市场模块化的整体趋势。

2、目前串联式混合动力系统主要由传统内燃机-发电机组、蓄电池装置组成，传统内燃机主要由曲轴连杆连接各燃烧缸内的活塞进行性往复运动实现动能输出，其连杆连接整体导致自由度小、约束程度增加，在一些复杂的能量需求下整体协调性较差导致工作效率下降。同时传统内燃机的体积大、质量重，并不契合目前汽车市场的结构轻量化趋势。

3、模块化发电装置(如自由活塞发电机)是新型动力机械的代表之一，其拥有着体积小、重量轻以及热效率高等优点，单个模块化发电装置输出功率低的缺点可通过设置多动力单元的方式弥补。经研究多动力单元组合而成的动力模组可以匹配传统内燃机的输出功率，同时因其具有压缩比可调的特点，动力模组工作时的指示热效率更高。此外模块化发电装置去掉了曲柄连杆等机构从而使其制造成本降低且批量化生产难度降低，因此将由动力单元组成的动力模组能够更贴合需要实现构型模块化以及结构轻量化的汽车市场。

4、目前针对动力系统在满足各装置负载电力需求的前提下需要对动力装置实现高效优化管控，由此衍生出的功率流控制成为了关键技术。但目前大多数功率流控制系统是以高效分配功率为目标将控制信号传递各动力模块管理控制系统进而控制动力系统完成能量输出动作，各动力模块管理控制系统的保护措施也仅限于对自身动力模块的自行测量监控。

5、动力系统中各动力模块能量管理系统与功率流控制系统不能做到信息的双向交互，在忽视各动力模块健康状态及使用情况下的单向功率分配是无法保证动力系统的安全高效运行。如图1所示的串联式动力系统，其主要由发动机-发电机组、蓄电池以及电机组成。就动力系统局部动力装置而言，动力系统发动机部分应用的是传统发动机，这种传统发动机结构上受曲轴连杆的限制，因此在面对复杂工况造成缸内损坏的情况下其发动机的工作效率会大打折扣；储能装置仅配备单一蓄电池，使得动力系统较难满足整车的高频功率需求。就动力系统整体而言，动力系统的灵活性与协调性较差，很难在每一种应用条件中都完成出色的能量供给任务。而就串联式动力系统的控制而言，该系统控制方法中缺少信息交互，控制特性属于开环控制，针对动力系统应急条件下的控制策略未详细考虑，无法较好地协同动力系统中各动力部件。

技术实现思路

1、为了解决现有技术存在的缺点，本发明具体公开了一种混合动力汽车模块化动力系统及其功率流控制方法。本发明所要解决的技术问题：

2、1.提出了包含由多个模块化发电装置组成的动力模组、在蓄电池基础上加入超级电容的储能单元以及电机的构型模块化的混合动力汽车模块化动力系统。

3、2.针对提出的混合动力汽车模块化动力系统提出了功率流控制方法，针对储能单元引入超级电容的特点提出了动力系统高低频功率分配控制策略，保障了动力系统各部件的工作安全；同时控制系统与各动力模块能量管理系统进行实时信息交互，针对模块化动力系统灵活性的特点提出了多模式切换的控制切换策略，实现了不同应用条件下的动力系统稳定高效运行，并针对动力系统的设备问题及时反馈报警，保证车辆及人员的安全。

4、本发明采用的技术方案如下：

5、混合动力汽车模块化动力系统，包括动力系统和控制系统。

6、所述的动力系统，包括：动力模组及其能量管理系统，储能单元及其能量管理系统，电机及其能量管理系统组成；

7、其中动力模组包括多个动力单元(模块化发电装置)；动力模组的能量管理系统根据分配功率通过map控制各动力单元的能量输出并实时将动力单元运行信息反馈至功率流控制系统中；

8、储能单元包括蓄电池以及超级电容；储能单元拥有的能量管理系统分为电池能量管理系统以及电容能量管理系统两部分，二者根据分配功率控制电池与电容的能量输出或能量回收；同时二者将电池以及电容的运行特性情况(主要为电池剩余容量(soc)、电池健康状况(soh))反馈至功率流控制系统中；

9、电机完成电能转换与能量输出，其能量管理系统控制电机将从动力模组及储能单元输送过来的电能转换为机械能并输出；

10、动力模组内部的各动力单元发电部件并联于电压母线上，在其后串联一个整流逆变装置，调整母线电压为稳定的直流电源从而方便后续装置的能量传递。

11、储能单元中的蓄电池以及超级电容都配备双向dc/dc模块保证能量的输出与回收，蓄电池与超级电容作为两个能量储存及供给的分支分别并联于电压母线上。

12、最终电压母线连接电机实现能量输出与扭矩传递。

13、所述的控制系统，包括环境信息感应模块、能量需求预测模块以及功率流控制模块；应用环境信息感知模块识别环境信息并将信息数据量化传递至能量需求预测模块中从而预测得到需求功率信息，需求功率信息、动力模组运行特性信息、储能单元运行特性信息共同传递至功率流控制模块进行功率分配，最终将功率流控制信号传递至动力系统各核心动力部件中完成能量供给动作的执行；功率流控制系统在接收到能量需求信息以及各动力模块能量管理系统的交互信息后应用功率流分配策略进行功率分配。

14、上述混合动力汽车模块化动力系统的功率流控制方法，包括以下过程：

15、控制系统首先应用环境信息感应模块对环境信息及道路信息进行识别，量化为数据信息传递至能量需求预测模块中，能量需求预测模块中的智能神经网络耦合整车动力学根据传递过来的数据进行计算得到实时所需的功率信息；针对模块化动力系统中各动力模块的应用特点，应用高低频功率分配算法将功率需求分成高频功率以及低频功率进而合理分配功率，控制系统实时与各动力模块能量管理系统的实时交互信息。

16、当动力系统处于模式①时，控制系统将高频功率需求分配至超级电容中，超级电容能量管理系统控制超级电容双向dc/dc在需求功率为正时向外输出高频电能，为负时向内回收高频电能。低频功率根据“削峰填谷”原则分别将功率需求信号分配至蓄电池以及各动力单元中，蓄电池能量管理系统控制蓄电池的双向dc/dc在需求功率为正时向外输出低频电能，为负时向内回收低频电能；动力模组的能量管理系统控制动力单元的喷油系统以及电力负载系统输出所需电能。最终将电能经电压母线传输至能量管理单元进行能量转换与能量输出。

17、所述的“削峰填谷”原则，模块化动力系统的动力单元的高效工作区是一个约束区间，为了保持动力单元式中工作在高效工作区，储能单元可以依靠高响应性为动力单元提供能量补给或能量回收，其中补给能量称为削峰，回收能量称为填谷。

18、当动力系统处于模式②，超级电容soc过低/过高，超级电容能量管理系统接收控制指令进而控制双向dc/dc只允许回收电能/输出电能，此时高频功率与削峰填谷后的低频功率分配至蓄电池中，蓄电池能量管理系统控制蓄电池的双向dc/dc在需求功率为正时向外输出电能，为负时向内回收电能，动力模组的能量管理系统控制动力单元的喷油系统以及电力负载系统输出所需电能，最终将电能经电压母线传输至能量管理单元进行能量转换与能量输出。同时控制系统分别向蓄电池以及动力模组发出额外功率指令，二者通过电压母线向超级电容充电或仅由蓄电池回收超级电容电能，使得超级电容的soc恢复稳定区间，模式②转换成模式①；超级电容soh过低时，高频功率与削峰填谷后的低频功率分配至蓄电池中，蓄电池能量管理系统控制蓄电池的双向dc/dc在需求功率为正时向外输出电能，为负时向内回收电能，动力模组的能量管理系统控制动力单元的喷油系统以及电力负载系统输出所需电能。同时超级电容能量管理系统及时报警反馈提醒操作人员及时维修更换超级电容。

19、当动力系统处于模式③，蓄电池soc过低/过高，蓄电池能量管理系统接收控制指令进而控制双向dc/dc只允许回收电能/输出电能。高频功率分配至超级电容，超级电容能量管理系统控制超级电容双向dc/dc在需求功率为正时向外输出高频电能，为负时向内回收高频电能。低频功率至动力模组，动力模组的能量管理系统控制动力单元的喷油系统以及电力负载系统输出所需电能。同时控制系统分别向超级电容以及动力模组发出额外功率指令，二者通过电压母线向蓄电池充电或仅由超级电容回收蓄电池电能，使得蓄电池的soc恢复稳定区间，模式③转换成模式①；当蓄电池soh过低时，高频功率分配至超级电容，超级电容能量管理系统控制超级电容双向dc/dc在需求功率为正时向外输出高频电能，为负时向内回收高频电能。动力模组的能量管理系统控制动力单元的喷油系统以及电力负载系统输出所需电能。同时蓄电池能量管理系统及时报警反馈提醒操作人员及时维修更换蓄电池。

20、当动力系统处于模式④，蓄电池以及超级电容soc过低时，动力模组承担所有功率需求，动力模组的能量管理系统控制动力单元的喷油系统以及电力负载系统输出所需电能。同时控制系统向动力模组能量管理系统提出额外功率指令，蓄电池以及超级电容的能量管理系统接收到控制系统指令分别控制各自双向dc/dc只允许回收电能，动力模组额外输出电能为二者充电，当蓄电池与超级电容soc恢复至正常范围，模式④转为模式①.蓄电池和超级电容的soc过高则直接控制双向dc/dc向外输出多余能量进而恢复soc。当蓄电池和超级电容有一者soc过低，一者soh过低时，动力模组承担需求功率，向soc过低者充电，soh过低者报警更换；当蓄电池与超级电容soh均过低时，动力模组承担需求功率，同时二者能量管理系统报警警告及时更换。

21、上述所提到的四种模式以下详细阐述：

22、①动力模组的运行特性良好、蓄电池以及超级电容的soc、soh均在健康范围内；

23、②动力模组的运行特性良好、蓄电池的soc、soh均在健康范围内而超级电容出现soc不足或soh较差的现象；

24、③动力模组的运行特性良好、超级电容的soc、soh均在健康范围内而蓄电池出现soc不足或soh较差的现象；

25、④仅动力模组运行特性良好，蓄电池与超级电容的soc或soh较差时。

26、本发明技术方案具有的技术效果：

27、1.混合动力汽车模块化动力系统构型使得核心装置包括动力模组及其能量管理系统、储能单元及其能量管理系、电机及其能量管理系以及相应控制系统的布置更加灵活，控制系统与各动力模块能量管理系统的信息反馈交互使得更易实现资源共享，控制系统更全面的掌握反映动力系统整体工作状态，进而更好的实现信息交互的功率流控制。

28、2.整体串联、局部并联的连接布置方式为动力系统提供了更为稳定的能量输出形式，动力系统中超级电容的引入提升了动力系统功率响应性，使得动力系统能够更好地为车辆进行能量供给，进而平衡动力系统的整体运行效果；此外在某些动力模块工作状态较差时可以通过其他动力模块的协同动作实现能量供给，同时利于动力系统的标准化、轻量化、模块化，便于各核心动力模块的管理和更换。

29、3.控制系统中的功率流分配策略基于模块化动力系统的灵活性与协同性，结合控制系统与能量管理系统实时信息交互的特点，实现了多模式切换控制，考虑了动力系统可能遇到的多种问题，为多种应急条件提供了解决方案。各模式的控制策略均是以实现模块化动力系统综合效率最优为目的所设计的功率分配方法，在各种条件下避免动力不足的同时实现实时保证工作效率处于较高水平。